DE102005060096B4

DE102005060096B4 - Gekapselter Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten

Info

Publication number: DE102005060096B4
Application number: DE102005060096A
Authority: DE
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: DE102005060096A1

Abstract

Gekapselter Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms, wobei die Einheit zum Ansprechen bei Überspannung als Funkenstrecke ausgeführt ist und die Einheit zur Begrenzung des Netzfolgestroms im Normalzustand eine niederohmige, induktivitätsarme Verbindung zum Anschlußpotential gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung ein unterschiedliches Verhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung aufweist, derart, daß diese nur bei Netzfolgeströmen anspricht, um diese zu begrenzen, wobei hierfür die Strom begrenzungseinrichtung ein druckfestes isolierendes Gehäuse mit zwei durch mindestens einen langgestreckten, als Engstelle wirkenden Kanal verbundenen Kammern aufweist, in jeder Kammer in einer elastischen oder nachgiebigen Umhüllung oder Trennwand ein Flüssigmetall befindlich ist, wobei die Flüssigmetallfüllungen über den Kanal kommunizieren sowie weiterhin zwischen der Umhüllung und der jeweiligen Kammer jeweils ein komprimierbares Restvolumen verbleibt und zwei Anschlußelektroden, die jeweils mit der zugehörigen Flüssigmetallmenge in...

Description

Die Erfindung betrifft einen gekapselten Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels einerseits sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms andererseits, wobei die Einheit zum Ansprechen bei Überspannung als Funkenstrecke ausgeführt ist und die Einheit zur Begrenzung des Netzfolgestroms im Normalzustand eine niederohmige, induktivitätsarme Verbindung zum Anschlußpotential gewährleistet, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekanntermaßen werden in Niederspannungsnetzen zum Schutz vor Überspannungen zwischen zwei aktiven Leitern in vielen Fällen Überspannungsableiter auf der Basis von selbstlöschenden Funkenstrecken eingesetzt.
Diese Funkenstrecken dienen auch dem Schutz bei direktem Blitzeinschlag und müssen daher über ein hohes Stoßstrom-Ableitvermögen ≥ 25 kA 10/350 μs verfügen.
Infolge des verstärkten Einsatzes von empfindlichen elektronischen Geräten in durch Überspannung gefährdeten Bereichen besteht zunehmend die Forderung nach einem niedrigen Schutzpegel, z.B. 1,5 kV anstatt 4 kV. Weiterhin besteht die Forderung nach einer hohen Anlagenverfügbarkeit, d.h. auch bei Überspannung, selbst bei Blitzeinwirkung, soll eine ungestörte Stromversorgung möglich sein. Dies erfordert von den Überspannungsableitern ein möglichst hohes Netzfolgestrom-Löschvermögen und zudem eine effektive Folgestrombegrenzung.
Aufgrund der immer kompakteren Bauweise der Installationsumgebung der Überspannungsableiter wird neben der installationsgerechten Bauweise von modernen Ableitern auch die Vermeidung des Freisetzens von ionisierten Gasen beim Ansprechen gefordert. Die vorstehenden Erfordernisse führen zu zahlreichen Konsequenzen bei der Realisierung von Überspannungsableitern. Durch den geringen Schutzpegel, welcher beispielsweise durch den Einsatz von elektronischen Zündeinrichtungen und zum Teil einer sensiblen Zündbereichsgestaltung in der Funkenstrecke realisiert wird, steigt die Häufigkeit des Ansprechens der Ableiter und deren Belastung. Die Vermeidung der Abgabe von ionisierten Gasen führt zu einem dramatisch höheren Leistungsumsatz in der Funkenstrecke, da bei älteren ausblasenden Funkenstrecken zum Teil über 90% der Energie in Form von heißem Gas an die Umgebung abgegeben wurde. Die erwünschte Folgestrombegrenzung erfordert ebenfalls einen höheren Energieumsatz in der Funkenstrecke.
Dieser gegenüber älteren Überspannungsableitern deutlich höhere Leistungsumsatz erfordert sowohl aufwendige Konstruktionen als auch leistungsfähigere und teuere Materialien.
Durch die mit dem Energieeintrag verbundene schnellere Alterung aller eingesetzten Teile wird zudem die Realisierung der Hauptaufgaben des Ableiters, nämlich einerseits bei Überspannung eine reproduzierbare Ansprechspannung aufrechtzuerhalten und andererseits bei üblichen normalen Netzbedingungen eine hochisolierende Strecke zu bilden, erschwert.
Bekannt sind auf der Basis von Hörnerfunkenstrecken, z.B. nach EP 0 706 245 A sowie entsprechende Ausführungsformen mit Zündeinrichtungen, beispielsweise nach DE 198 03 636 A1 .
Aufgrund des dort gewählten Folgestrom-Löschprinzips mit einer konventionellen Löschblechkammer kann der sensible Zündbereich zumindest über einen gewissen Zeitbereich vor dem Leistungsumsatz bei der Folgestrombegrenzung geschützt werden. Nachteilig bei dieser oder ähnlichen Ausführungsform ist jedoch das Ausblasen von heißem ionisierten Gas in die Umgebung des Ableiters. Infolge der unvermeidbaren Laufzeit des Lichtbogens bis zum Erreichen der Löschkammer bleibt die strombegrenzende Wirkung einer solchen Löscheinrichtung zudem eher gering.
Eine mögliche Verkürzung der Laufwege führt jedoch unweigerlich wieder zu einer Erhöhung der Belastung des sensiblen Zündbereichs durch Strahlung bzw. heiße Gasströmung. Weitere Maßnahmen zur Beschleunigung des Laufverhaltens sind aufwendig, benötigen Bauraum und führen zu höheren Kosten.
Des Weiteren sind Überspannungsableiter bekannt, bei denen einfache Gasentladungsableiter mit strombegrenzenden Elementen in Reihe geschaltet werden. Hierfür finden z.B. Varistoren, Induktivitäten, Widerstände, aber auch Kaltleiter Einsatz. Verwiesen sei beispielsweise auf die DE 1 241 514 A1 , DE 1 803 162 A1 und die US-PS 3,849,704 .
Nachteilig bei diesen Varianten des Standes der Technik ist jedoch häufig die geringe Impulsstrom-Tragfähigkeit und der hohe Spannungsabfall (Restspannung) bei Impulsbelastungen.
Die DE 101 39 565 A1 , DE 199 26 005 A1 , DE 199 27 065 A1 und DE 199 09 558 C1 offenbaren Ausführungsformen von Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall für den Einsatz im Längszweig.
In der DE 198 53 580 C1 , DE 100 18 564 A1 , DE 100 18 563 A1 , DE 199 03 939 A1 , DE 199 03 940 C1 und DE 199 05 372 C1 werden Details zur Gestaltung von Trennwänden und deren Engstellen bei Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall vorgestellt. Unter anderem werden dort poröse, zum Teil mit einer isolierenden Flüssigkeit gefüllte und auch gasabgebende Trennwände vorgeschlagen. Der Ausgestaltung der Engstellen reicht von einer einteilig offenen Spaltenausführung bis hin zu konischen, V-förmigen und abgewinkelten Bohrungen. Des Weiteren wird für die eigentliche Engstelle der Einsatz von hochwertigen, im Wesentlichen abbrandfesten Materialien vorgeschlagen, wobei hingegen die Gestaltung der übrigen Trennwände aus kostengünstigeren Materialien vorgenommen werden soll.
In der DE 198 59 095 A1 , DE 199 16 325 A1 , DE 199 16 324 A1 , DE 199 16 323 A1 und DE 199 16 322 A1 werden Gestaltungsvarianten für feststehende Metallelektroden aufgezeigt sowie Lösungen für die benachbarten Engstellen, um einerseits die festen Elektroden vor dem direkten Kontakt mit einem Lichtbogen zu schützen bzw. die Elektroden zu kühlen und andererseits die Diffusion und somit die Alterung der festen Elektroden durch das eingesetzte Flüssigmetall zu reduzieren.
Hinsichtlich möglicher Maßnahmen zur Beeinflussung des Schaltverhaltens eines Strombegrenzers auf der Basis von Flüssigmetall sei auf die DE 199 18 453 A1 , DE 199 03 837 A1 , DE 199 03 938 C1 und DE 199 18 451 A1 aufmerksam gemacht. Im einzelnen wird hier auf Möglichkeiten zur Einstellung der Strombegrenzung durch eine Regelung des Flüssigkeitsstands über der Engstelle, die Beeinflussung des Stroms durch ferromagnetische Materialien und die Stromführung, die Ausnutzung des Druckaufbaus zur mechanischen Einengung bzw. zum rückstellbaren Verschließen der Engstellen sowie die Reduzierung der dynamischen Belastung durch einen beweglichen rückstellbaren Kolben hingewiesen.
Die DE 101 08 236 A1 schlägt vor, den Strombegrenzer zur Wiederherstellung eines möglichst geringen Bahnwiderstands nach Belastung mit Ultraschall zu beaufschlagen.
Die DE 198 53 577 C1 hingegen zeigt einen lageunabhängigen Aufbau eines Begrenzers mit Flüssigmetall.
In der DE 199 14 147 A1 wird eine Strombegrenzeranordnung vorgestellt, welche um die Längsachse ohne Funktionseinschränkung drehbar ist.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten gekapselten Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms anzugeben, welcher einerseits den derzeitigen Anforderungen moderner Überspannungsschutzelemente genügt und der andererseits die energetische Belastung des grundsätzlich sensiblen Ansprech- und Isolationsbereichs der Funkenstrecke auf ein Minimum reduziert.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen gekapselten Überspannungsableiter gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird demnach unter Rückgriff auf eine relativ einfach aufgebaute gekapselte Funkenstrecke, die im allgemeinen über eine frei einstellbare Zündeinrichtung verfügt, diese mit einer Strombegrenzungseinrichtung in Reihe geschaltet, wobei die Strombegrenzungseinrichtung einen niedrigen Bahnwiderstand besitzt und sich in einer druckfesten Kapselung befindet. Hierdurch erfolgt eine Kombination der jeweiligen, auf die einzelnen Spezifika optimierbaren Geräteeigenschaften.
Die Strombegrenzungseinrichtung weist ein unterschiedliches Verhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrom-Belastung auf, und zwar derart, daß die Strombegrenzungseinrichtung bevorzugt nur dann anspricht, wenn Netzfolgeströme vorliegen, um diese Ströme dann im gewünschten Maß zu begrenzen.
Hierfür besitzt die Strombegrenzungseinrichtung ein druckfestes isolierendes Gehäuse mit zwei durch mindestens einen langgestreckten, als Engstelle wirkenden Kanal verbundenen Kammern. In jeder Kammer befindet sich ein Flüssigmetall, das beispielsweise in einer elastischen oder nachgiebigen Umhüllung befindlich ist. Die Flüssigmetallfüllung der jeweiligen Kammern kommunizieren über den vorerwähnten Kanal. Weiterhin verbleibt zwischen der vorerwähnten Umhüllung und der jeweiligen Kammer ein komprimierbares Restvolumen. Zwei Anschlußelektroden, die jeweils mit der zugehörigen Flüssigmetallmenge in Verbindung stehen, sind darüber hinaus vorgesehen.
Die Strombegrenzungseinrichtung kann von einem zusätzlichen metallischen Gehäuse umgeben sein, welches dann gleichzeitig eine Komponente der Funkenstrecke bildet oder diese Funkenstrecke aufnimmt.
Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Länge des Kanals zum Durchmesser viel größer als 1 gewählt. Dies bedeutet, daß der Kanal sehr lang, aber schmal, respektive mit einem geringen Durchmesser ausgeführt wird.
Das komprimierbare Restvolumen kann jeweils z.B. als gasgefüllter Schlauch oder Faltenbalg ausgeführt werden.
Die eingesetzte einfache Funkenstrecke und deren Parameter ergeben sich einerseits aus der Realisierung einer gewünschten niedrigen Ansprechspannung, welche durch eine Zündeinrichtung realisierbar ist, und andererseits durch eine hohe Impulsstrom-Tragfähigkeit. Des Weiteren weist die Funkenstrecke ein hohes Wiederverfestigungs-Vermögen gegenüber der wiederkehrenden Netzspannung und ein hohes Isolationsvermögen von etwa 400 V bis 1000 V auf. Das eigene Folgestrom-Löschvermögen kann eher gering sein.
Die Lichtbogenspannung, insbesondere bei Impuls-, aber auch bei Folgeströmen wird zur Minimierung des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke gering gehalten. Ebenso gering gehalten wird die Zündverzugszeit der Funkenstrecke, um so die Restspannung bei Impulsbelastung schnell auf unkritische Werte abzusenken.
Vorstehende Forderungen ermöglichen die Begrenzung des Leistungsumsatzes in der Funkenstrecke und der Zündeinrichtung auf ein Mindestmaß, welches eine wesentliche Voraussetzung zur Beherrschung von größeren Impulsstrombelastungen ist.
Eine zusätzliche Belastung durch die technisch notwendigen Maßnahmen zur Strombegrenzung aufgrund einer hohen Bogenspannung und zur Folgestromlöschung entsteht für die Funkenstrecke nicht und belastet nahezu ausschließlich die erfindungsgemäß in Reihe geschaltete spezielle Strombegrenzungseinrichtung.
Durch die beschriebene Reihenschaltung wird also eine Funktionstrennung zwischen Funkenstrecke und Begrenzungseinrichtung realisiert. Während die Begrenzungseinrichtung ausschließlich der Begrenzung der möglichen Netzfolge ströme dient, übernimmt die Funkenstrecke das Ansprechen und die Isolation des Überspannungsableiters.
Die Strombegrenzungseinrichtung erfüllt nachstehende Anforderungen.
Die Impedanz der Strombegrenzungseinrichtung ist gering, da bei der Ableitung von Impulsströmen im kA-Bereich der angestrebte Schutzpegel von < 4 kV bzw. < 1,5 kV nicht überschritten werden darf.
Bei Impulsströmen verhält sich die Strom begrenzungseinrichtung erfindungsgemäß passiv, d.h. sie fungiert als niederohmiger Anschluß der Funkenstrecke, ohne einen zusätzlichen Spannungsabfall zu bewirken. Die Restspannung bei Impulsbelastung wird somit im Wesentlichen durch die einfache Funkenstrecke bestimmt und ist somit aufgrund der niedrigen Lichtbogenbrennspannung gering, wodurch auch der gesamte Leistungsumsatz begrenzt bleibt. Bei dem Auftreten von Folgeströmen erhöht sich in entsprechender Weise der Bahnwiderstand und der Spannungsabfall über der Strombegrenzungseinrichtung, wodurch die Folgeströme begrenzt und gelöscht werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Strombegrenzungseinrichtung kehrt diese nach der Unterbrechung des Folgestroms bzw. nach dem Abklingen des Impulses wieder in den leitfähigen Zustand mit einem geringen Bahnwiderstand zurück.
Für die angestrebte Anwendung des Strombegrenzers eignet sich der Einsatz von Flüssigmetall besonders. Denkbar ist aber auch die Verwendung von supraleitenden Materialien, die ebenso wie Flüssigmetalle geringe Bahnwiderstände besitzen. Im Vergleich zu den bekannten Anwendungen von Strombegrenzern mit Flüssigmetall im Längszweig wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung die notwendige Anpassung für die Nutzung im Querzweig erreicht.
Bei bekannten Strombegrenzern auf der Basis von Flüssigmetall erfolgt das Ansprechen infolge der Jouleschen Erwärmung bis zum Wechsel des Flüssigmetalls vom flüssigen in den gasförmigen Zustand. Die hierfür notwendige Energie ist bei adiabatischer Erwärmung ausschließlich von der Zusammen setzung des Flüssigmetalls und dem verbindenden Kanalquerschnitt abhängig. Würde unverändert auf den bekannten Stand der Technik zurückgegriffen, bedeutet dies, daß sowohl die Impulsstromhöhe als auch die Folgestromhöhe, bei welcher der Begrenzer quasi zwangsweise anspricht, durch den Kanalquerschnitt festgelegt wird. Eine effektive Netzfolgestrombegrenzung bei einer möglichst hohen Impulsstrom-Tragfähigkeit ist bei dem Ansatz nach dem Stand der Technik nicht realisierbar.
Auch die Übernahme des Einbringens von definierten Engstellen in den Querschnitt des Flüssigmetalls gemäß Stand der Technik ist für die erfindungsgemäßen speziellen Eigenschaften des Strombegrenzers nicht ohne Weiteres übernehmbar. Die bekannten Maßnahmen bewirken aufgrund der veränderten Stromdichte vor und im Bereich der Einengung sowie der nur begrenzten Benetzbarkeit der Engstellen mit Flüssigmetall zusätzliche Effekte im Bereich der Engstelle, wie z.B. Gasbildung oder Strömung, welche ein Ansprechen des Begrenzers deutlich unterhalb des Energieeintrags einer adiabatischen Erwärmung ermöglicht. Der vorstehende Effekt ist neben der gewählten Geometrie und der verwendeten Materialien, aber im Wesentlichen durch die Höhe des Stroms bzw. des Stromquadratwerts geprägt, so daß sich keine Ableitung zur Lösung des angestrebten differenzierten Verhaltens des Begrenzers zwischen Impuls- und Netzfolgeströmen ergibt.
Es wurde erkannt, daß im Bereich der Impulsstrombelastung die Wirksamkeit der bei einer Engstelle auftretenden zusätzlichen Effekte reduziert bzw. verzögert werden muß, wohingegen im Bereich der Netzfolgeströme die Wirksamkeit der Engstelleneinbringung zu erhalten ist. Unter diesem Aspekt wäre ein Begrenzer optimal, der bei Impulsbelastung erst nach Erreichen der für eine adiabatische Erwärmung bis zum Verdampfen des Material notwendigen Energie anspricht, welcher bei einer Netzfolgestrombelastung hingegen aber möglichst ohne nennenswerten Verzug begrenzend wirkt.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, daß gegenüber Begrenzungseinrichtungen, welche für den Längszweig konzipiert sind, bei einer Kombination mit einer Funkenstrecke, welche bekanntlich im Querzweig, also zwischen zwei Leitern eingesetzt wird, nicht die Notwendigkeit besteht, einen bestimmten Dauerstrom als Nennstrom zu führen.
Durch eine gezielte Gestaltung der Geometrie des Flüssigmetall-Strombegrenzers, insbesondere der Engstellen, kann das Ansprechen des Geräts, also das Verdrängen bzw. das Verdampfen des leitfähigen Materials aus den Engstellen trotz der hohen Peakwerte und der extrem hohen Stromquadratwerte bei Impulsbelastung verhindert werden, ohne daß auf eine Strombegrenzung bei Folgeströmen mit vergleichsweise geringer Amplitude verzichtet werden muß.
Hierfür wird die Länge im Verhältnis zum Durchmesser der Engstellen größer als bei Begrenzungseinrichtungen für den Längszweig gewählt. Vorhandene Begrenzungseinrichtungen für den Längszweig besitzen in der Regel viele Engstellen mit einer Länge von nur wenigen Millimetern, um ein schnelles Ansprechen der Einrichtungen zu bewirken.
Um eine gute Strombegrenzung zu erreichen, werden bei diesen Elementen des Standes der Technik viele Lichtbögen in Reihe geschaltet.
Wie dargelegt, wird für die erfindungsgemäße Anwendung der Flüssigmetall-Strombegrenzungseinrichtung ein Verhältnis von Engstellenlänge zu Engstellenradius von deutlich größer 1 gewählt. Die Anzahl der Engstellen in Reihe kann hingegen reduziert werden. Für die Anwendung bei 230 V Netzspannung ist bei mittlerer Strombegrenzung im Regelfall nur eine Engstelle erforderlich. Dies vereinfacht die Konstruktion erheblich und senkt die Kosten.
Durch die längere Engstelle wird die benötigte Zeit bis zum Verdrängen des leitfähigen Materials aus der Engstelle erhöht und der Stromdichteverlauf im Bereich der Engstelle verändert. Die vorgestellte Konstruktion erlaubt eine lageunabhängige Benutzung des Ableiters.
Es wurde festgestellt, daß das Ansprechen der Engstelle im Rücken von langen Impulsen und somit die Unterbrechung der leitfähigen Verbindung des Begrenzers die Wiederverfestigung der Funkenstrecke nach dem Impuls und natürlich nach einem möglichen Folgestrom unterstützt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
1 zeigt ein Diagramm mit prinzipiellem Verlauf von Strom und Spannung bei Belastung des Flüssigmetall-Strombegrenzungselements mit Impuls- und Netzfolgestrom.
2 zeigt eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein lageunabhängiges Flüssigmetall-Strombegrenzungselement mit kompressiblen Volumina.
3 zeigt verschiedene konstruktive Möglichkeiten der Engstellengestaltung.
4 bis 6 zeigen Strombegrenzungselemente mit veränderter Elektrodenlage.
7 betrifft eine Ausführungsform eines rotationssymetrischen Strombegrenzungselementes zwischen Elektroden in den Engstellen und den Kammern.
Gemäß 1 führt der Impulsstrom mit einer hohen Stromamplitude beim Strombegrenzer nicht zur Lichtbogenbildung an der oder den Engstellen. Die Spannung über dem Begrenzer bleibt gering und wird durch den Bahnwiderstand und die Höhe des Impulsstroms bestimmt. Der anschließende Netzfolgestrom wird infolge der Lichtbogenbildung an der oder den Engstellen in seiner Höhe begrenzt. Die Amplitude des begrenzenden Folgestroms ist deutlich niedriger als diejenige des Impulsstroms. Die Lichtbogenspannung des Begrenzers erreicht bzw. übersteigt den momentanen Wert der Netzspannung.
Gemäß 2 sind die Ausdehnungsräume und die Engstelle rotationssymmetrisch aufgebaut. Die Füllhöhe mit Flüssigmetall wird so gewählt, daß die Engstelle beispielsweise mit 1 mm überdeckt wird. Die Strombegrenzungseinrichtung kann hier beliebig gedreht werden. Neben der Engstelle befindet sich jeweils ein Verdichterraum, in welchen die Flüssigkeit nach dem Ansprechen der Engstelle gedrängt wird. Besitzen die Verdichterräume kein separates Gasvolumen, könnte bei extremen Belastungen die Druckerhöhung die Berstfestigkeit des Gehäuses übersteigen. Um dies auch bei einem unerwünschten Ansprechen bei Impulsbelastungen zu vermeiden, werden in die Verdichterräume Faltenbälge eingebracht, welche ein kompressibles Medium enthalten. Bei langen Engstellen ist des Weiteren die Einbringung von kompressiblem Material, Räumen bzw. Wänden in der Engstelle möglich.
Um die Druckfestigkeit einer Anordnung gemäß 2 noch zu erhöhen und das Flüssigmetall vor der Einwirkung äußerer Felder zu schützen, wird vorgeschlagen, das isolierende Gehäuse des Flüssigmetall-Strombegrenzungselements zusätzlich mit einem Metallmantel oder Metallgehäuse zu versehen. Diese zusätzliche Ummantelung kann gleichzeitig die einfache Funkenstrecke umschließen oder eine Komponente dieser Funkenstrecke umfassen.
Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Druckfestigkeit im Anwendungsfall, da bei einem Ansprechen insbesondere bei Impulsbelastungen extrem hohe Drücke auftreten können. Ein Ansprechen bei Impulsen soll zwar möglichst vermieden werden, jedoch ist dies bei Überlast und auch bei multiplen Entladungen nicht immer möglich.
Dies erfordert eine extrem druckfeste Gestaltung des Gehäuses und auch der einzelnen Verdichterräume zwischen bzw. neben den Engstellenbereichen, da Impulsströme aufgrund der extrem hohen treibenden Spannungen eingeprägt und nicht begrenzbar sind.
Um die Verdrängung des Flüssigmetalls zu ermöglichen, sollte daher die Konstruktion möglichst in bzw. neben jedem mit einem Lichtbogen belasteten Raum ein kompressibles Volumen enthalten. Die kompressiblen Volumina, wobei es sich hier auch ein kompressibles Medium, wie z.B. Luft handeln kann, sollten hier alles verdrängte Flüssigmetall aufnehmen können, um zu große Drücke in der Konstruktion zu vermeiden.
Hierbei gilt: V_{kompressibel ges} ≥ V_Kanal + 2·A_Engstelle·I_{Verdichterraum}
Als kompressibles Volumen kann neben Hohlräumen Z.B. ein gasgefüllter Schlauch oder ein Faltenbalg z.B. aus Metall vorgesehen sein. Ebenso sind elastische bzw. elastisch gelagerte Trennwände denkbar.
Die Einheit zur Begrenzung des Netzfolgestromes stellt im Normalzustand eine niederohmige, induktivitätsarme Verbindung zum Anschlusspotential dar. Es handelt sich hierbei um eine Strombegrenzungseinrichtung auf Flüssigmetallbasis. Erfindungsgemäß weißt die Strombegrenzungseinrichtung ein unterschiedliches Verhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung auf. Bei Impulsströmen verhält sich die Strombegrenzungseinrichtung erfindungsgemäß passiv, d.h. sie fungiert als niederohmiger Anschluß der Funkenstrecke ohne einen zusätzlichen Spannungsabfall zu bewirken. Beim Auftreten von Folgeströmen erhöht sich jedoch in entsprechender Weise der Bahnwiderstand und der Spannungsabfall über der Strombegrenzungseinrichtung, wodurch die Folgeströme begrenzt und gelöscht werden. Bei erfindungsgemäßer Anwendung der Strombegrenzungseinrichtung kehrt diese nach der Unterbrechung des Folgestromes bzw. nach dem Abklingen des Impulses wieder in den leitfähigen Zustand mit einem geringen Bahnwiderstand zurück.
Um ein unterschiedliches Verhalten der Strombegrenzungseinrichtung bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung zu ermöglichen oder zu steuern kann eine Engstelle, bzw. können mehrere oder alle vorhandenen Engstellen besonders geformt sein.
Untersuchungen zeigten, dass bisher bekannte Engstellengeometrien bei Impulsströmen bereits bei Strombelastungen ansprechen, die deutlich unterhalb des theoretisch möglichen Wertes (Stromintegralbelastung, i²t-Wert) liegen.
Um eine praxisrelevante Impulsstromtragfähigkeit zu erreichen, sind mit den bekannten Geometrien deutlich größere Engstellenquerschnitte erforderlich. Dies wiederum führt dazu dass es bei Netzfolgeströmen zu einem späteren „Ansprechen" der Engstelle kommt. Die Ursache hierfür liegt in der Kavitation am harten Übergang zum Engstellenbereich. Um eine möglichst hohe Impulsstromtragfähigkeit der Strombegrenzungseinrichtung ohne ein Ansprechen, bzw. möglichst spätes Ansprechen im Impulsrücken zu erreichen ist eine Beeinflussung der Stromdichteverteilung und der sich ausbildenden Strömungs- und Druckverhältnisse im Flüssigmetall nötig. Um dies zu erreichen ist eine besondere Gestaltung der Engstelle(n), beispielsweise eine Abfasung bzw. eine Abrundung der Kanten der Engstellen mit verschiedensten Winkeln und Radien möglich. 3 zeigt einige beispielhafte Möglichkeiten der Gestaltung der Engstellen. Bei einer Abfasung sind vorzugsweise Winkel zwischen 30° und 45° zu wählen. Die Länge dieser Einlaufbereiche sollte vorzugsweise zwischen 10 und 80% des Kanaldurchmessers liegen. Durch derartige Anordnungen konnte mit geringerem Engstellenquerschnitt eine höhere Impulsstromtragfähigkeit erzielt werden. Aufgrund des geringeren Querschnittes der Engstelle erhöht sich die Geschwindigkeit des Ansprechens bei Netzfolgeströmen.
Um die Kavitation (Bildung von Gasbläschen) bei Impulsstrombelastung zu minimieren, und damit ein erfindungsgemäßes passives Verhalten der Strombegrenzungseinrichtung bei Impulsströmen zu erreichen, kann die Verwendung besonders porenarmer Werkstoffe für die Fertigung der Engstelle von Vorteil sein. Als Werkstoffe sind zum Beispiel verschiedenste Keramiken, Kunststoffe wie beispielsweise POM, PTFE, Polyethylen, Polypropylen, Silicon und verschiedene Hartgewebe denkbar.
Um bei kleineren Stoßströmen ein besseres Ansprechen der Strombegrenzungseinrichtung bei Folgestrom zu ermöglichen, ist jedoch das bewusste Einbringen von Kavitationskeimen in den unmittelbaren Engstellenbereich in Form von Kanten, Spitzen, Einbuchtungen, Ringen, Kerben und Zügen möglich. Diese können in der Engstelle sowohl radial als auch axial angeordnet sein. Weiterhin ist auch die Verwendung von nicht axialsymmetrischen Engstellen möglich. Hierbei sind beispielsweise Quader-, Pyramiden- und Ellipsenformen für die Engstellen denkbar.
Um ein differenziertes Verhalten der Strombegrenzungseinrichtung bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung zu erreichen, ist auch eine Variation der Lage der Elektroden im Bezug zur Engstelle (den Engstellen) möglich. Die Strombegrenzungseinrichtung muss hierbei nicht rotationssymmetrisch ausgeführt werden. Zur Gewährleistung einer Lageunabhängigkeit der Anordnung ist außer der Verwendung von Luft bzw. anderen Gasen als komprimierbares Medium auch die Verwendung von gasgefüllten Schläuchen und Faltenbälgen denkbar.
Die 4, 5 und 6 zeigen einige Beispiele für Strombegrenzungselemente mit nicht axialsymmetrischer Lage der Elektroden, bzw. veränderter Lage der Elektroden im Bezug zur Engstelle. Diese oder ähnliche Ausführungsvarianten der Strombegrenzungseinrichtung sind sowohl mit einer als auch mit mehreren Engstellen möglich.
Durch eine Veränderung der Lage der Elektroden kann die Stromverteilung im Flüssigmetall beeinflusst werden. So können sich beispielsweise, je nach Elektrodenlage, Leiterschleifen im Flüssigmetall ausbilden, welche durch die sich ergebenden Stromkräfte eine Lichtbogenbildung in der Engstelle bei Folgestrom begünstigen. Unter Berücksichtigung der mechanischen Trägheit des Flüssigmetallsystems bei impulsförmiger Belastung (durch den Impulsstrom eingeprägter Kraftimpuls) kann die Anordnung so dimensioniert werden, dass bei impulsförmiger Strombelastung kein Lichtbogen in der Engstelle entsteht, da das Flüssigmetall sehr kurzen Kraftimpulsen nicht sofort folgen kann. Der Impulsstrom kann jedoch bereits als Antrieb für die Trennung des Flüssigmetalls in der Engstelle genutzt werden, so dass es bei Netzfolgestrom sofort bzw. schneller zur Lichtbogenbildung und somit zur Begrenzung bzw. Unterdrückung eines solchen Folgestromes kommt. Die Anordnung kann so gestaltet werden, dass erst während einer längeren Krafteinwirkung auf das Flüssigmetall ein Lichtbogen, durch sich ausbildende Stromkräfte in der Engstelle, (den Engstellen) entsteht. Die 4 und 5 zeigen Beispiele für die Ausbildung von Stromschleifen durch die Variation der Elektrodenlage. Durch die elektromagnetische Kräfte wird ein Ansprechen der Strombegrenzungseinrichtung bei Folgestrombelastung begünstigt.
Um ein unterschiedliches Ansprechverhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung noch besser zu gewährleisten, können die bereits beschriebenen Engstellengestaltungen auch für diese Strombegrenzungselemente mit nicht axialsymmetrischer Lage der Elektroden angewendet werden.
Um den Spannungsabfall über dem Strombegrenzungselement und damit die Strombegrenzung bei Netzfolgestrom noch zu erhöhen, ist es denkbar metallene Zwischenelektroden in die Engstellen und/oder die Kammern zwischen den Engstellen einzubringen. Mit einer derartigen Anordnung wird ein zusätzlicher Beitrag n·(U_A + U_K) zur Lichtbogenspannung geleistet. Die 7 zeigt ein Beispiel für eine derartige Strombegrenzungseinrichtung. Die mit einem solche Strombegrenzungselement erzeugte Lichtbogenspannung steigt, zum einen aufgrund der Aufteilung des Lichtbogens in mehrere Teillichtbögen und zum anderen durch die Bildung von Lichtbogenfußpunkten in den engen Spalten der Engstellen. Um diesen Effekt noch zu begünstigen wäre es denkbar, die Zwischenelektroden aus einem Widerstandsmaterial bzw. einem Material mit nichtlinearer Kennlinie (beispielsweise Materialien mit Varistor-; NTC- oder PTC-Effekt) zu fertigen. Durch eine bereits oben beschriebene Variation der Lage der Elektroden, und in diesem Falle auch der Lage der Zwischenelektroden, kann auch hier eine zusätzliche Beeinflussung des Verhaltens der Strombegrenzungseinrichtung bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung erreicht werden. Auch die bereits beschriebenen Möglichkeiten der Engstellengestaltung sind auf Strombegrenzungselemente mit Zwischenelektroden in den Engstellen und oder den Kammern anwendbar.
Die Erfindung dient damit der:

– Erhöhung der Impulsstromtragfähigkeit eines Flüssigmetallbegrenzers bei gleichem Querschnitt des engsten Flüssigmetallbereiches durch: Allmählicherer Übergang zum verminderten Querschnittsbereiches des Flüssigmetalls (Anfasung, Abrundung, mehrfache Stufung) siehe dazu 3
– Steuerung des Ansprechverhaltens bei Folgeströmen durch Nutzung des Eigenmagnetfeldes der Stromschleife durch Variation der Lage der Elektroden (4 bis 6)
– Erhöhung der Strombegrenzung durch zusätzliche Zwischenelektroden infolge der Spannungserhöhung durch Lichtbogenaufteilung bei Lichtbogenbildung sowohl im Engstellen als auch im Nichtengstellenbereich (gleichzeitig Überlastschutz)
– Widerstandssteuerung durch versetzte Engstellen mit oder ohne Zwischenwände

Claims

Gekapselter Überspannungsableiter für den Einsatz als Netzfunkenstrecke im Niederspannungsbereich mit getrennten, elektrisch in Reihe geschalteten Funktionseinheiten für ein Ansprechen bei Überspannung zum Erhalt eines niedrigen Schutzpegels sowie zur Begrenzung des Netzfolgestroms, wobei die Einheit zum Ansprechen bei Überspannung als Funkenstrecke ausgeführt ist und die Einheit zur Begrenzung des Netzfolgestroms im Normalzustand eine niederohmige, induktivitätsarme Verbindung zum Anschlußpotential gewährleistet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung ein unterschiedliches Verhalten bei Impulsstrom- und Netzfolgestrombelastung aufweist, derart, daß diese nur bei Netzfolgeströmen anspricht, um diese zu begrenzen, wobei hierfür die Strom begrenzungseinrichtung ein druckfestes isolierendes Gehäuse mit zwei durch mindestens einen langgestreckten, als Engstelle wirkenden Kanal verbundenen Kammern aufweist, in jeder Kammer in einer elastischen oder nachgiebigen Umhüllung oder Trennwand ein Flüssigmetall befindlich ist, wobei die Flüssigmetallfüllungen über den Kanal kommunizieren sowie weiterhin zwischen der Umhüllung und der jeweiligen Kammer jeweils ein komprimierbares Restvolumen verbleibt und zwei Anschlußelektroden, die jeweils mit der zugehörigen Flüssigmetallmenge in Verbindung stehen, vorgesehen sind.
Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung von einem zusätzlichen metallischen Gehäuse umgeben ist, welches gleichzeitig eine Komponente der Funkenstrecke bildet oder diese aufnimmt.
Gekapselter Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge des Kanals zum Durchmesser viel größer 1 gewählt ist.
Gekapselter Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Restvolumen jeweils als gasgefüllter Schlauch oder Faltenbalg ausgeführt ist.